基于靜止無功補償器的風電場高電壓穿越研究

唐亦敏

（無錫科技職業(yè)學院中德機電學院，江蘇 無錫 214028）

基于靜止無功補償器的風電場高電壓穿越研究

唐亦敏

（無錫科技職業(yè)學院中德機電學院，江蘇 無錫 214028）

隨著風電場裝機增多，電網要求其具有高電壓穿越能力，即風電機組在規(guī)定電壓幅值和時間內不能脫網運行。針對這個問題，設計了一種基于靜止同步無功補償器的提高風電場高電壓穿越能力的控制方案，實施在靜止同步無功補償器上，當電網電壓驟升時，控制靜止同步無功補償器向電網提供容性無功，使電網電壓升速及持續(xù)時間下降，從而實現了高電壓穿越。最后，基于仿真軟件對新型高電壓穿越方案進行了仿真驗證。

風電場；高電壓穿越；靜止同步無功補償器；無功補償；控制

可再生能源具有清潔性和可再生性的特點，在世界范圍內得到了廣泛而顯著的發(fā)展［1］。在可再生能源利用中，最具有代表性的就是風力發(fā)電，其具有高效和可持續(xù)性的優(yōu)點，得到不斷發(fā)展和進步，也逐漸滿足工業(yè)發(fā)展不斷增長的電力需求［2］。全世界風電機組的裝機容量增速一度達到23.6%，直到現在，其總裝機容量還在持續(xù)增加［3］。

對于早期的風電機組使用，允許其在電網發(fā)生擾動時迅速脫網，以保護機組設備避免受到損壞。但是由于風力發(fā)電在能源占比中越來越大，以及微電網的發(fā)展，包括機組設備的智能化等原因，越來越多的國家和地區(qū)制定了標準，要求風電機組在電網擾動時不能脫網，同時需要提供電網支持［4］?？紤]到電網故障時，電壓跌落是電力系統(tǒng)中一個較為普遍的現象，因此風電機組的低電壓穿越LVRT（low voltage ride through）得到了廣泛的研究［5-6］。然而，電網電壓驟升也是一個不容忽視的問題，其發(fā)生時也可能導致風電機組脫網［7-10］。電網電壓驟升的主要原因包括大容量負載的切出、電網無功功率過剩及單相對地短路后其他相的電壓上升等。因此，風電機組的高電壓穿越HVRT（high voltage ride through）技術也是一個亟待研究的問題。對于高電壓穿越的電網標準，不同國家和地區(qū)有不同的標準，比較具有代表性的是西班牙和美國標準，具體如圖1所示［11］。

圖1 美國和西班牙的高電壓穿越標準Fig.1 HVRT grid codes of US and Spain

從圖1中可以看出，美國標準UGC（US grid codes）中公共接入點電壓允許在1.2（標幺值）時維持1 s，而此后每下降0.05（標幺值）時需維持1 s，在3 s后達到安全邊界。而在西班牙標準SGC（spain grid codes）中，最大允許電壓達到1.3（標幺值）并維持0.25 s，然后下降到1.2（標幺值）時維持0.75 s，然后下降至安全邊界。在標準范圍內，風電機組不允許脫網，而超過標準，則允許風電機組脫網停機。

針對風電機組的高電壓穿越問題，文獻［12-13］以雙饋風電機組為研究對象，分別提出了基于虛擬阻抗和基于變阻尼的控制策略以實現機組的HVRT。文獻［14］通過改變雙饋風電機組的網側變流器并網形式，采用串聯(lián)網側變換器實現雙饋風電機組的HVRT?？紤]到以上控制方法都需要硬件電路進行配合，文獻［15］提出了一種無需硬件電路的HVRT控制策略，其利用電機主控和變流器協(xié)同控制來實現雙饋風電機組的HVRT。上述研究主要集中在風電機組的控制策略上實現HVRT，而且集中為雙饋機型，未考慮直驅型機組。文獻［16］從整個風電場的基礎上探討了利用動態(tài)無功補償裝置SVC或SVG來提高風電場HVRT能力的可行性，但局限于設備的配置位置和響應速度。因此，本文在上述研究的基礎上，著眼于整個風電場的HVRT能力提升，包括直驅型和雙饋型風場，提出了一種基于靜止同步補償器STATCOM（static synchronous compensator）的風電場HVRT能力提升策略。然后基于Matlab/Simulink仿真平臺，構建了風電場仿真模型，并用對比的方式對HVRT方案進行了仿真驗證。

1 風電機組和風電場結構

1.1 風電機組

圖2所示為風電機組示意圖，圖中繪出了2種典型的風電機組：一種是永磁直驅風電機組，前端為永磁同步發(fā)電機，然后通過一個全功率變流器輸出到電網，變流器包括機側的全控整流電路，直流側的制動電路，以及包含濾波器的輸出逆變電路，最后通過升壓變壓器接入到電網中；還有一種為雙饋風電機組，和永磁直驅風電機組的區(qū)別在于前端含有齒輪箱結構，然后再接入到雙饋感應發(fā)電機，電機的定子和變壓器繞組直接相聯(lián)，同時電機轉子繞組還通過半功率變流器連接到升壓變壓器，最后也是通過升壓變壓器接入到電網中。對于風電機組的控制算法不是本文的研究重點，因此對于機側，采用了最大功率點跟蹤算法；網側則采用經典的dq軸電流解耦矢量控制策略；制動電路則用于配合實現電網LVRT和HVRT功能。

圖2 風電機組示意圖Fig.2 Picture of the wind turbine generator

1.2 風電場模型

圖3 所示為風電場示意圖，為了簡化分析，考慮風電場只包含5臺風機，風機的額定容量為2 MW，由于本文提出的方案中不需要制定風機類型，因此不失一般性的假設為直驅型風電機組，風電機組通過變比為690 V/10 kV的升壓變壓器接入到10 kV公共連接點PCC（point of common coupling），而STATCOM也接入到10 kV公共連接點，其在正常工況下根據電網的無功需求進行無功補償，而在電網電壓驟升時輔助提高整個風電場的HVRT能力。最后PCC端通過變比為10 kV/110 kV的升壓變壓器接入到高壓大電網。

圖3 風電場示意圖Fig.3 Picture of the wind farm

2 STATCOM構成及其控制策略

2.1 STATCOM結構和容量選擇

隨著電力需求的不斷增長，電力系統(tǒng)對電網傳輸的電能質量、可持續(xù)性和可靠性的要求也越來越高。為了達到電力系統(tǒng)的這些要求，柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS（flexible AC transmission system）被廣泛研究和使用，其能有效提高了電力系統(tǒng)的利用率，增強輸電性能［17］。STATCOM作為FACTS中廣泛使用的設備，其顯著功能在于能夠產生或吸收需要的無功功率，以改變電力傳輸系統(tǒng)參數，保證合理的電能質量。STATCOM和傳統(tǒng)的靜止補償器SVC相比，具有能量密度大、可接入性好、無功補償范圍寬等優(yōu)點［18］。

STATCOM的具體結構形式如圖4所示。

圖4STATCOM結構示意圖Fig.4 The structure schematic of the STATCOM

圖4 中，UDC，IDC分別為STATCOM直流側電壓和電流；UAN，UBN和UCN為公共接入點交流電壓；ia，ib和ic為STATCOM輸入電流；C為直流側電容；Q1～Q6，D1～D6分別為功率器件及其反并聯(lián)二極管。從圖4中還可以看出，STATCOM并入到PCC端以后，STATCOM的交流輸出和電網相互作用，可以實現系統(tǒng)無功潮流的控制。

同時考慮到電網對稱電壓驟升較之不對稱電壓驟升，風電場將從電網吸收更多的無功。因此用于高電壓穿越的STATCOM的容量配置應按對稱電壓驟升考慮。電壓驟升故障期間，PCC點電壓下降水平與電網短路故障點位置和注入電網的無功功率值相關。進一步，當PCC點正好為故障點時，風電場僅可通過降低電網故障恢復初期的電壓來提高其高電壓穿越能力，則與此種故障點位置對應的STATCOM容量應為最小無功配置容量，從而根據文獻［19-21］的研究，通常STATCOM容量為風電場總容量的1/3左右。

2.2 STATCOM的控制策略

STATCOM的控制策略設計首先考慮以下原理：如果STATCOM交流輸出電壓高于系統(tǒng)電壓，則STATCOM將無功功率注入到系統(tǒng)中，此時STATCOM將表現為電容特性；若STATCOM交流輸出電壓低于系統(tǒng)電壓，則STATCOM將表現為電感特性，無功潮流的方向也將相反；而在STATCOM交流輸出電壓等于系統(tǒng)電壓時，即在系統(tǒng)正常工況下，STATCOM與電網之間沒有無功交換。根據上述原理，可以設計STATCOM的控制器如圖5所示?？刂破髦饕ㄖ绷麟妷篜I控制環(huán)和交流電壓PI控制環(huán)。

圖5 STATCOM的控制系統(tǒng)Fig.5 Control system of STATCOM

控制器電流內環(huán)采用dq解耦的方式進行控制，控制首先檢測直流側電壓UDC，與參考UDC_ref相減后進行PI控制得到d軸電流參考Id_ref，接著與經過旋轉坐標變換后的實際檢測電流Id相減進行PID計算送入到調制比和相角生成模塊中；檢測交流側三相電壓UABC，經由旋轉坐標變換后得到d，q軸電壓Ud和Uq，經過電壓幅值計算后得到實際電壓幅值UAC與參考電壓幅值UAC_ref相減，結果送至PI調節(jié)器計算得到q軸電流參考Iq_ref，接著與經過旋轉坐標變換后的實際檢測電流Iq相減進行PID計算送入到調制比和相角生成模塊中，最后該模塊計算得到調制比MI（modulation index）和相角PA（phase angle），從而生成PWM控制脈沖給到STATCOM。根據控制器設計，當電網發(fā)生故障產生高電壓時，控制器將交流和直流電壓偏差生成控制脈沖，使得STATCOM在較短時間內向電網輸出較大無功功率，從而對電網電壓進行支撐。

進一步從圖5中還可以看出，和以功率閉環(huán)調節(jié)為主的傳統(tǒng)STATCOM控制方法相比，此新型控制策略是基于電壓幅值閉環(huán)，對電壓抬升抑制效果更好，響應更快。

3 仿真驗證

為了檢驗前述高電壓控制方案的效果，基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了風電場、STAT-COM和變壓器構成的系統(tǒng)仿真模型，并進行了仿真計算。仿真采用的是對比驗證方式，即對比采用STATCOM和無STATCOM時系統(tǒng)的HVRT特性，從而得到仿真結論。主要的仿真系統(tǒng)參數為：風電場額定功率Pw=10 MW，風電機組單機額定功率Pc=2 MW，風電變流器直流側電壓UDC=1 100 V，電網額定頻率f=50 Hz，風電機組輸出額定電壓Uout=690 V，PCC端額定電壓UPCC=690 V，第一級升壓變壓器變比N1=690 V/10 kV，第二級升壓變壓器變比N2=10 kV/110 kV，STATCOM額定容量Sc=4 Mvar，STATCOM開關頻率fsw=800 Hz。

在仿真模型中模擬電網故障導致PCC端電壓升高至1.25～1.35（標幺值），持續(xù)時間約0.25 s。圖6所示為無STATCOM作用電網故障時的電壓升高曲線和西班牙HVRT標準曲線。從圖6中可以看出，故障發(fā)生在t=2 s時，持續(xù)約0.25 s后故障切出，故障期間PCC端電壓UPCC最高達到1.3（標幺值），明顯超出標準線，從而將導致風電場機組脫網，避免設備的損壞。

圖6 無STATCOM作用時電網故障時的電壓升高（西班牙標準）Fig.6 The voltage increase caused by the grid fault without STATCOM（Spain Code）

圖7 所示為采用STATCOM和控制策略作用時電網故障電壓升高曲線和西班牙HVRT標準曲線。從圖7中可以看出，在故障持續(xù)期間，PCC端電壓UPCC在STATCOM調整下始終維持在標準線以下，對比圖6結果，可以看出控制方案提高了整個風電場的HVRT能力。

另一組仿真采用美國電網標準，圖8，圖9所示為無/有STATCOM作用電網故障的電壓升高曲線和美國HVRT標準曲線。由圖8看出，故障期間PCC端電壓UPCC最高也明顯超出標準線，將導致風電場機組脫網。而對比圖9可以看出，UPCC在STATCOM調整下始終保持在標準線以下，因而再次證明了風電場的HVRT能力得到提高。

圖7 STATCOM作用時電網故障的電壓升高（西班牙標準）Fig.7 The grid fault causes the voltage increase with STATCOM（Spain Code）

圖8 無STATCOM作用電網故障時的電壓升高（美國標準）Fig.8 The grid fault causes the voltage increase without STATCOM（USA Code）

圖9 STATCOM作用電網故障時的電壓升高（美國標準）Fig.9 The voltage increase with STATCOM caused by the grid fault（USA Code）

圖10為風電變流器直流側電壓在電網故障時的波動曲線?？梢钥闯?，沒有STATCOM作用時，風電機組直流側電壓UDC波動劇烈，最低達到了1 045 V，而通過STATCOM調節(jié)，其波形明顯減小，最低只有1 065 V，從而驗證了控制方案對風電機組的穩(wěn)定運行也存在益處。

圖10 電網故障時風電機組直流電壓波形Fig.10 The DC voltage waveforms of the wind turbine when grid fault

圖11為電網故障時STATCOM的無功輸出響應。可以看出，電網在t=2 s故障后，STATCOM迅速吸收無功功率，從而減緩了PCC端的電壓升速，達到了預期控制目標。

圖11 電網故障時STATCOM的無功輸出響應Fig.11 Reactive power response of the STATCOM during grid fault

4 結論

本文圍繞基于靜止同步無功補償器的提高風電場高電壓穿越能力的控制策略開展了研究。首先分析了風電場構成和風電機組模型，闡述了HVRT相關標準，然后根據STATCOM的運行原理設計了STATCOM的控制器，用于實現調高風電場的HVRT能力，最后通過Matlab仿真平臺對方案進行了有效性驗證。結論為：1）本文設計的STATCOM控制策略，能夠在電網故障時注入或吸收無功以維持電網電壓的穩(wěn)定，從而提高了風場的HVRT能力；2）在新型控制策略作用下，風電機組保持不脫網運行的同時還有利于其直流側電壓的穩(wěn)定控制。

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Study for the High-voltage-ride-through of Wind Farms Based on STATCOM

TANG Yimin
（Sino-Germany School of Mechanical，Wuxi Vocational College Science and Technology，Wuxi 214028，Jiangsu，China）

With the increase of wind farms，the ability of the high voltage ride through is requested.When wind turbine joins the high voltage ride through，it should not to be disconnected from the grid with specifically voltage amplitude and time.Aiming at it，a new control scheme based on static synchronous compensator was proposed to improve the high voltage ride through capability of the wind farm.The new control method was used for the static synchronous compensator，when the grid voltage swelled，static synchronous compensator provided capacitive reactive power to the grid by the controller.So，the grid voltage raising speed and duration were decreased，then the high voltage ride through capability was realized.At last，the new high voltage ride through scheme based on the static synchronous compensator has been verified with simulations.

windfarm；high voltage ride through；static synchronous compensator；reactive power compensation；control

TM614

A

10.19457/j.1001-2095.20171011

機電類專業(yè)項目教學實踐過程企業(yè)化模式的探索（JG2014108）

唐亦敏（1961-），男，本科，講師，Email：3273919690@qq.com

2016-10-18

修改稿日期：2017-03-29